熱電發電新方法：用鉛筆和紙，簡單又便宜！

導讀

近日，德國海姆霍茲柏林材料所（HZB）教授 Norbert Nickel 領導的科研團隊研發出一種簡單的方法，利用鉛筆和紙張，將熱量轉化為電力。

背景

熱電效應，也稱為「溫差電效應」，並不是什麼新生事物。大約200多年前，德國科學家 Thomas J. Seebeck 就發現了這種效應。簡單說，熱電效應是指在特殊材料中，由於溫度差異而產生電壓的過程。一般來說，材料一端較熱，另一端較冷時，電荷載體就會從熱的一端向冷的一端移動，形成電動勢，從而產生電壓。

幾乎所有的技術和自然過程，都會產生餘熱這一副產品，例如：電廠、家用電器、人體等等。餘熱是世界上未被充分利用的能源之一，通常來說基本上是被浪費掉了。然而通過熱電效應，我們可以將一部分的餘熱轉化為電能。

( 圖片來源：Ashutosh Tiwari/猶他大學 ）

之前的文章中，筆者介紹過一些通過熱電發電的創新案例。下面，讓我們一起回顧一下。

1）美國猶他大學材料科學和工程系教授 Ashutosh Tiwari 領導的團隊利用化學元素鈣、鈷和鋱化合物，製造出高效、廉價、生態友好的材料，能通過熱電效應生產電力。

2）美國喬治亞理工學院研究人員採用柔性導電聚合物和紙張上印刷的新型導電圖案，開發出一種概念驗證階段的可穿戴熱電發電機。該熱電發電機能採集人體熱量，為測量心率、呼吸和其他生理指標的生物感測器供電。

3）韓國蔚山國立科技大學材料科學和工程學院的教授 Kyoung Jin Choi 領導的團隊開發出新型可穿戴太陽能熱電發電機，它通過與衣物、窗戶和建築物牆壁接觸而產生能量。

4）美國北卡羅萊納州立大學的研究人員為了提高柔性可穿戴設備中熱電發電機的性能和效率，採用EGaIn 液態金屬互連線連接溫差電元件，這些互連線不僅電阻很低，還具有拉伸和自我修復的特性。

不幸地是，雖然熱電效應非常值得利用，但它在普通金屬中顯得非常微弱。原因是，金屬不僅具有高度的導電性，也具有高度的導熱性，溫度差異會迅速消失。

因此，熱電材料需要具有低導熱性、高導電性。由無機半導體材料例如碲化鉍製成的熱電裝置，如今已經廣泛應用於特定的技術領域。然而，這樣的材料非常昂貴，且只能在特殊情況下應用。

為了解決上述問題，筆者曾介紹過日本大阪大學的研究人員與日立公司合作開發出一種新型無毒的熱電材料：硅化鐿 （YbSi2），YbSi2是無毒的，且具有高導電性、低導熱性，因此可以作為一種理想的熱電發電材料。

創新

然而，科學界也在研究基於碳納米結構的柔性、無毒、有機材料，並要將這種材料應用於人體之上。今天，筆者要為大家介紹一種新方案。

德國海姆霍茲柏林材料所（HZB）教授 Norbert Nickel 領導的科研團隊研究出了一種更加簡便的方法。他們使用了普通的HB鉛筆，在複印紙上塗寫了一小塊面積。然後，他們又採用第二種材料：透明、導電的聚合物塗料（PEDOT: PSS），在複印紙張上塗寫了另外一小塊面積。

( 圖片來源：HZB ）

技術

紙張上鉛筆痕迹製造出的電壓，可與其他昂貴許多的納米複合材料製造出的電壓相提並論。目前，這些納米複合材料常用於柔性熱電元件。此外，通過向鉛筆的石墨中添加一些硒化銦，電壓可增加10倍。

在HZB，研究人員通過掃描電子顯微鏡和光譜法（喇曼散射），
研究了石墨烯和共聚物塗覆的薄膜。Nickel
解釋道：「結果也讓我們非常驚喜。對於它為什麼可以工作得這麼好，我們現在找到一種解釋。紙張上的鉛筆痕迹由無序的石墨片、一些石墨烯和黏土組成，它只是稍微降低了導電性，但是卻有效地降低了導熱性。」

( 圖片來源：參考資料【2】）

價值

未來，科學家將利用這些簡單的成分在紙張上列印熱電元件，這些熱電元件將非常廉價、環境友好、無毒。這種小型柔性組件也可直接應用於人體，利用人體熱量為小型裝置或者感測器供電。

關鍵字

熱電發電、可穿戴技術、感測器

參考資料

【1】https://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=14783&sprache=en&typoid=1

【2】Viktor V. Brus, Marc Gluba, J?rg Rappich, Felix Lang, Pavlo D. Maryanchuk, Norbert H. Nickel. Fine Art of Thermoelectricity. ACS Applied Materials & Interfaces, 2018; 10 (5): 4737 DOI: 10.1021/acsami.7b17491

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